综述：化学领域模块化可重构实验室自动化的发展格局探析

易复用的实验室自动化是实验自动化的下一个前沿方向。由于实验设备常需针对不同实验重新配置用途，现有的一代实验室自动化方案成本过高且过于复杂，难以推广应用。随着各类平台兴起——其模块封装了具体操作，连接组件与设备可被快速甚至自动地置换，以执行不同实验——这一局面正在改变。本文综述了化学领域可重构模块化实验室自动化系统的技术现状。研究人员探讨了此类系统应用面临的关键障碍，以及建立标准化基准以比较不同平台性能的重要性。研究人员展望了最具前景的研究路径，包括人工智能(AI)系统辅助指导工艺流程与操作布局的可能性，这有望提升效率并可能产生全新的工艺布局。研究人员最终指出，实验室自动化领域应持续推进发展，惠及化学工作者及更广泛的科学共同体。

引言(Introduction)

自动化已在现代实验室中占据稳固地位。从依靠热、密度与相变驱动的简单玻璃装置，已发展为能够执行复杂流体与气体操控的精密系统。尤其是 robotic pipetting systems（机器人移液系统）与机械臂，实现了多种实验场景下的自动化定制。自动化实验装置的优势包括精度提升、任务可重复执行，加之电子传感器与执行器的微型化与集成化，可实现近实时监控。但当前多数自动化实验装置专为重复单一固定步骤设计，仅允许输入物料与温度、压力等工艺参数变化，其通量以单次可处理的样品数量衡量，高通量筛选(High Throughput Screening, HTS)系统已可单次运行处理数百至数千个样品。依托任务重复能力，自动化装置常与人工智能(AI)技术结合，用于探索海量化合物库，加速新材料或新药发现，这种化合物库与实验结果以闭环方式反馈至AI系统的模式，催生了自驱动实验室(Self-Driving Laboratories, SDL)。然而，当需要开展新的不同实验时，需投入大量工程工作重新设计与搭建装置，包括寻找兼容化学品的材料传输接口、实现不同软硬件接口的互通，这些任务往往耗时耗资，导致许多自动化系统在一个项目结束后因人员流动或厂商协议到期而被废弃，难以被其他研究者复用，造成大量重复工作。多用途模块化可重构实验室自动化系统提供了灵活配置不同实验的能力，这类系统已存在数十年并持续改进。本文扩展了Lo等人提出的模块化定义：模块化是指由离散、自包含的模块组装成 cohesive system（聚合系统），模块可通过标准软硬件接口快速互联、替换与重构，每个模块执行特定的化学操作或工艺，可独立组合或修改。该定义更接近模块化机器人领域的理念，即机器人由封装功能的单元构成，通过标准接口相互连接形成更复杂的机器人结构，可在数分钟内完成配置并执行单个模块无法完成的任务。理想模块还应支持大量不同构型连接，甚至具备自重构能力。与之相对，由机械臂松散连接商用设备的系统属于最低层级（Level 1），机械臂作为中央传输系统在设备间转运物料。20世纪90年代起厂商提供的模块化工作单元系统(Modular Workcell Systems)属于Level 2，采用传送带与单元内小型机械臂实现设备间的集成传输，但用户（化学技术人员）难以自行重构，需高水平工程技能与机器人编程能力。多数基于机械臂的模块化实验室自动化进展介于这两个层级之间，部分接近Level 3。本文主要关注Level 3及以上的硬件模块化系统，聚焦微升至升级规模的实验室级系统，暂不涉及已有大量综述的微流控平台与移动操作平台，仅将ARChemist系统作为例外纳入分析。正如玻璃器皿已成为化学中通用、快速、易用的工具，多用途可重构模块化自动化系统有望变革实验自动化，提供即用、快速重构的框架，无需化学技术人员为每个新实验从头设计自动化方案，大幅简化实验自动化流程。在AI与自驱动实验时代，这类系统还可让AI不仅能调整物料用量，还能修改实验本身的结构。

模块化设计(Modular Design)

理论上，前文定义的可重构模块化设计在改进自动化实验室实验实施方面具有多重优势：简化系统设计——单个模块仅需专注于一种操作，设计更聚焦；可扩展性——新模块可在基础模块上修改实现，模块一次设计即可多次复制；灵活性——通过置换与不同连接方式组合出不同实验，同一操作可在实验多个位置复用；可复用性——模块可用于多种类型实验，无需从头设计搭建；实验可重复性——单个模块可集成测量工艺变量、环境条件与分析的传感器，获得可用于复现实验的宝贵数据；并行化——可复制多个相同模块实现同一操作的并行执行；易调试——带分析设备的模块可插入流程多个位置，提前发现问题并获取更多实验数据；更好的环境控制——封装使操作步骤可在独立空间内进行，便于监控或调节（如无氧环境、低湿度环境等）；可重构性——模块间配备物料传输、供电与通信的对接接口，可快速连接与断开以适配新实验构型，标准接口一旦设计完成即可低成本复制。同时，模块间的快速连接与断开也带来一定局限：泄漏风险——可拆卸接口相比单体传输系统更易出现连接故障导致物料传输失败，但市售快接可重复连接接头可适配解决；复杂的编排——模块化系统自由度更高，模块可快速重定位，编排比单体系统更复杂，但近年模块化软件与分布式系统架构可提供支撑；过高的开销——若任务过于简单，模块化系统可能引入不必要的复杂度；清洁难度——新增的流控组件与接口会增加清洁难度。

可重构模块化系统的技术现状(State of the Art in Reconfigurable Modular Systems)

最简单的自动化实验室实验中，不同自动化硬件按预定顺序或工作流执行单个工艺或操作，各工艺的输出连接至其他工艺的输入，全程无需人工干预。Adam与Eve机器人属于Level 1模块化系统，可通过重组工作流步骤实现一定的实验灵活性，但其硬件静态，未针对快速重构设计。Syncar与自动化合成实验室(Automated Synthesis Lab, ASL)属于Level 2模块化系统：Syncar的模块连接至中央轨道系统，载有玻璃或塑料容器的穿梭车在轨道系统中移动，将物料与试剂送至轨道旁的工位模块；ASL则通过传送带将装有容器的架运送至不同模块化工作站，部分模块配备移液与SCARA机器人，可将物料转移至相邻模块。两类系统均占用整个房间空间，理论上模块可围绕中央传输系统物理重构，但需工程师团队耗时数天完成。Level 3系统以用户硬件重构为核心设计目标，模块仅封装一种操作，可独立于其他模块运行，通过专用接口连接传输系统或其他模块，实现物料、通信与电力传输。根据重构机制可分为三类：手动重构系统，需人工移动模块并重新连接；工作流重构系统，模块可手动重构但保持静态，仅需通过软件改变模块间连接路由即可运行完全不同的实验，部分系统仍需技术人员执行分析或手动移动模块；硬件重构系统，硬件模块可自动移动与重新连接，在调整工作流之外新增了硬件维度的重构能力。现有Level 3平台的已验证模块主要集中在药物生产领域，这与药物领域已有海量化合物库、现场可靠供药需求及药企作为实验室自动化平台开发的先驱密切相关，少数平台已拓展至固体材料合成等领域，目前未见Level 3模块化可重构实验室自动化平台应用于这些领域之外的报道。

手动重构(Manual Reconfiguration)

手动可重构平台的不同模块可通过管路等方式移动与连接。多数平台聚焦于处理类似水的低黏度、低密度液体，采用塑料软管适配各类泵与阀，结合玻璃装置实现不同压力点的操作与反应，但塑料材料的耐溶剂性与耐热性不及玻璃器皿，且管路、泵与阀难以彻底清洁，多数系统最终会更换受污染部件。药物紧凑可重构系统将所有模块集成于单个机柜内，通过带标准接头的软管与选择阀连接，可手动切换模块间的软管连接实现重构。即插即用可重构连续流化学合成系统进一步规整了模块连接：执行不同流操作的模块通过匹配接口快速连接至中央主干的不同槽位，加压液体通过中央主干输送至模块，试剂通过标准进样与选择阀加入主干与模块，操作人员可手动更换接入槽位的模块序列，实现快速重构，系统体积可适配实验台。MODEX模块化合成系统将泵集成于模块内部，模块为分米级，通过标准鲁尔接口(Luer connectors)互连，干侧容纳电子元件，湿侧处理液态化学品，均封装于3D打印标准框架内，可快速手动组装校准，体积紧凑可部署于同步辐射光束线探测器旁，支持拆卸运输后现场重装。ORGANA系统结合容器与管路，模块由不同设备与烧杯组成，可围绕机械臂重新排列，机械臂自动识别容器位置，主要负责通过抓取倾倒转移物料，辅以管路与注射泵实现容器间液体转移，其模块边界定义较模糊，虽可使用熟悉的设备，但也增加了重构的工程难度。模块化科学工厂系统采用统一硬件外形规格，将装有试剂的设备或容器集合称为模块，放置于推车上，推车间可通过机械附件拼接，借助机械臂在推车间转运容器或孔板形成“工作单元”，通过手动调整推车排列实现不同实验，未来计划开发推车间物料、数据与能量传输接口以实现自动重构。

工作流重构(Workflow Reconfiguration)

工作流重构系统的设计仍允许用户手动重构模块，但依托中央传输系统可自动重路由物料，通过软件改变物料访问模块的顺序即可执行多种实验。Chemputer系统的不同模块通过软管连接至称为主干的中央分配系统，主干由一系列注射泵与选择阀组成，可在系统内路由液体，物料流经模块与主干的顺序决定了实验类型。其小型版本C³PU遵循相似原理，采用3D打印模块容器，连接至商用注射泵与选择阀主干。CityScape平台以Swagelok®模块化组件系统为基础，将自定义流组件插入带槽的框架，形成“地铁图”式的流体通路，通过手动或自动阀重定向流路，可在不更换组件的情况下重构不同合成实验，组件还可在框架内空间重排，特殊组件（如反应器）可置于不同通路以适配不同的反应时间与温度，该系统还在每个组件后设置采样点用于分析，并在流组件内集成温度与压力传感器。ARChemist系统采用移动机械臂平台作为容器在中央传输机制，在工位或模块间转运物料，工位由标准实验室设备与机械臂组成，部分设备经改造以适配移动机械臂，通过定制夹爪与已知位置校准降低抓取误差，便于置换工位以重构系统。

硬件重构(Hardware Reconfiguration)

实现随时就绪的硬件系统是硬件重构的核心目标。某系统通过机械臂移动即插即用可重构合成系统的模块，与其他平台不同，该系统可在无人工干预的情况下物理更换所需模块，执行不同实验。机械臂还负责连接管路向加压主干注入试剂，配套设计了防管路缠绕机制，虽增加了装置占地，但依托模块的标准接口、外形规格与主干槽位，规避了多数机器人操作难题，实现了无需化学技术人员介入的多流程化学实验自动运行。

模块化软件(Modular Software)

软件是任何自动化实验的核心组成部分。自动硬件动作由固件控制，固件接收指令并与外部控制器及编排器交换设置与测量数据。尽管分布式软件与互联网推动了软件自身的模块化，但由于缺乏标准编程接口与封闭的协议，不同厂商设备的通信仍是挑战。研究人员已开发HELDAO、WEI、ChemOS等框架与SILA 2标准，支持设备连接至自动工作流规划器、数据与实验室管理系统及机器学习工具，实现无缝并发编排，ROS与OPC-UA等现有自动化框架也常被采用，部分架构甚至支持跨全球不同实验室的异步实验执行。χDL语言、实验室自动化协议(Laboratory Automation Protocol, LAP)等模块化协议脚本语言与图形用户界面降低了化学家编写实验配方(recipe)的门槛，Prisma与MOCCA等工具可自动解析光谱与色谱结果，支撑连接优化与学习算法以加速材料与药物发现。贝叶斯优化等多种学习策略已被用于化合物的自动发现与合成优化，大语言模型(Large Language Model, LLM)也被用于解析自然语言输入以生成配方与工作流，或从科学文献中提取配方。然而，在所综述的Level 3模块化平台中，软件与框架的复用率较低，仅ORGANA平台复用了其他平台的LLM系统将自然语言指令转换为χDL指令，其余多数系统采用定制化解决方案，独立实现图形界面、配方表示与底层通信库，未充分复用现有工具。

导航模块化格局(Navigating the Modular Landscape)

前文所述的模块化设计优势在不同平台中得到了不同程度的实现：过程步骤在模块内的封装已在所有平台中得到验证，但部分平台（如ORGANA）模块边界模糊，虽可使用熟悉设备，却增加了重构难度与可扩展性限制；部分平台（如即插即用可重构合成系统、MODEX、Chemputer、C³PU）提供更清晰的单操作封装，简化了重构。多数平台已展示在多种实验中的能力，但集中在药物合成与生产、材料与纳米颗粒合成领域，仅ARChemist等少数平台涉足固态材料合成。可复用性方面，采用统一模块框架的系统（如即插即用可重构合成系统及其机械臂辅助版本）支持快速置换与复用模块，为AI生成的动态配方自动执行提供了可能，但配套的路由部件、机械臂与夹爪仍需定制，增加了使用门槛与占地。采用推车统一规格的模块化科学工厂系统同样支持推车复用，但每次重构都需重新编程机械臂的物料转运路径。部分平台采用标准框架约束模块尺寸，便于快速置换，但仍需外部连接供电。加压系统需在整体或部分停机排空后才能更换模块，重构难度较高。实验可重复性与调试方面，多数平台仅测试实验最终结果，仅少数工作展示了在实验不同节点自动采样分析的能力，传感器也未普遍集成于所有模块。并行化方面，仅见少量并发实验管理的相关演示，基于多个复制模块的完全并行化尚未实现。环境控制方面，尚无系统报告尝试按模块监控或调控实验环境，仅个别系统集成通风系统，更清晰的模块接口有望实现单个模块环境的隔离。可重构性方面，仅少数系统实现了物料传输、供电与数据的匹配接口，并对主干内管路进行了结构化规整，降低了使用所需的机电专业知识、设置时间与空间占用；多数系统虽采用管路与接头，但无结构化路由与匹配的电气连接器，需使用者具备电子专业技能，且在模块数量较多时易出现布线混乱；基于机械臂的平台每次模块设备位置变动都需重新编程机械臂运动，需机械专业技术。泄漏防护方面，仅少数平台将检漏作为安全措施，多数安全机制依赖外部设备。编排复杂性方面，所有平台均实现了模块软件编排，但如前所述复用率较低。开销方面，多数平台针对复杂多步反应路线设计，执行简单操作时存在明显冗余。清洁方面，多数平台仅做最低限度考量，如采用管路快速清洗或实验间整体更换管路。

应对模块化实验室自动化应用缓慢：关键障碍与解决方案(Addressing the Slow Adoption of Modular Laboratory Automation: Key Barriers and Solutions)

模块化实验室自动化系统虽具变革实验研究的潜力，却因多重未解决的挑战而应用缓慢。核心困境在于自动化的驱动力与机器人及系统设计的技术需求不匹配：化学家的目标是优化特定化学反应集，而非开发通用机器人平台；厂商也集中于热门工艺集，这种聚焦虽推动科学进展，却窄化了自动化工作的适用范围与适应性。此外，Level 3模块化可重构实验室自动化平台集中在药物合成领域，仅少数涉足固态材料与纳米颗粒合成，主要受制药业对实验室自动化发展的推动，以及不同传输系统处理粉末等固体材料的难度影响。财务与技术障碍方面，开发可快速适配多样实验设置的系统需要大量资金投入，不仅包括硬件，还包括组建跨学科团队，这对资源有限的小型研究团队是显著壁垒。缓解策略包括推广采用广泛可用技术（如3D打印）与现成组件构建的基础通用过程模块，开放共享软硬件设计，让小型实验室可复制模块并作为实验起点，减少在系统设计上的精力投入，已有部分模块化系统公开了模块构建说明。还可开发与分发模块套件（含组装或未组装版本），同时保持设计开放，逐步让化学家熟悉自动化实验的常用机械与电子工具，机器人学等相关课程融入化学教育并改进用户界面也有助于推广。材料成本是另一大支出，可利用新兴的3D打印材料（如玻璃、聚醚醚酮PEEK）直接打印耐化学腐蚀模块，并直接集成电子元件与传感器，降低成本。标准化基准对推广与优化至关重要：当前缺乏统一测试与指标，难以有效比较系统性能，现有评估多基于特定化合物产率或专项应用结果，无法提供跨领域的通用性能度量。应定义反应器功率、最高温度、压力容量等物理规格作为可比指标，建立统一的实验与指标体系，优先采用无毒材料进行基准测试，提升安全性与参与度，让机器人、电子等领域的实验室也可安全参与研发，无需完备的化学安全设施。模块化特有挑战方面，分析设备当前未考虑封装设计，多数平台需连接外部分析工具或由技术人员取样检测，可借助微传感器与微流控技术将分析工具微型化，集成至不同模块。安全也是重要关切，高灵活性带来的多构型可能增加错误概率，需设计适配高灵活性的全面安全规程。硬件开发周期较长，但可依托可扩展系统、跨学科团队与标准外形规格加速，机械臂在多类装置中的普及就是标准外形规格加速发展的例证，这一概念可拓展至其他设备与物料传输形式（如分析设备、固体传输）。并发操作的编排也面临独特挑战，共享资源（如管路、阀门、加热/冷却模块）可能成为瓶颈，需复杂的编排机制高效分配资源，现有框架已可应对此类问题，但在Level 3模块化平台中复用较少，资源协调的复杂度进一步抬高了准入门槛。

展望：迈向实验室自动化的协作开放未来(Outlook: Towards a Collaborative and Open Future in Laboratory Automation)

模块化实验室自动化是实验室技术的演进，需要化学家、机器人专家、工程师与计算科学家协作开发实用通用的解决方案。学术界、产业界与资助机构建立伙伴关系，可降低资金约束并整合多元专业知识，这种跨学科协作能促进开发贴合终端用户需求的模块化系统，融合功能性与以用户为中心的设计，加速技术创新，产出更稳健适用的解决方案。

AI引导的实验：动态配方(AI-guided Experimentation: Dynamic Recipes)

AI与实验室自动化的融合正开启科学探索的新纪元。AI可依托模块自动重构能力，通过动态测试不同物理步骤序列来优化配方，例如降低前驱体消耗，这一理念已在机械臂辅助即插即用平台等系统中初步探索。该路径假设系统模块可按需重排以支持任意实验，辅以软件校验拒绝不合理或不安全的运行，部分平台已展示相关能力。集成简易实时监测传感器可进一步增强动态配方能力，基于传感器反馈实现过程中的即时修正与优化。将化学领域以自然语言为主的研究成果转化为可执行指令是另一关键挑战，自然语言处理(Natural Language Processing, NLP)等技术已被用于解析文献与反应库，将其转换为可执行脚本，部分平台已开展早期探索，大语言模型的兴起则为这一融合提供了新的路径，有望变革化学知识的解析与应用方式。

呼吁开放协作与标准化(A Call for Open Collaboration and Standardization)

模块化实验室自动化的未来发展依赖于开放协作与标准化的基础。共享设计文件、开发通用可及且可互操作的模块，是实现领域创新民主化的关键。建立开放共享设计文件与标准接口的环境，能让更广泛的研究者参与并受益于实验室自动化的集体进展，既促进不同模块与系统的集成，也鼓励跨学科专业知识的汇聚。最终，实现模块化可重构实验室自动化硬件的全部潜力是一项跨越学科边界的集体事业。通过拥抱并行化、依托AI、践行开放协作与标准化，可释放模块化硬件系统的能力。未来，模块化可重构实验室自动化系统硬件有望像玻璃器皿一样通用、快速且易用，这一协作未来将使实验室自动化更具适应性、效率与可及性，惠及化学工作者及更广泛的科学共同体。